★研究背景

傳統(tǒng)的剛性傳感器和不完善的校準方法難以滿足水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中食品質(zhì)量安全監(jiān)測的需求，需要重新設(shè)計和優(yōu)化。本文設(shè)計并優(yōu)化了一種用于水產(chǎn)監(jiān)測的基于自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（APA-ANN）的無源柔性氨氣傳感器。設(shè)計的傳感器可以通過13.56MHz的射頻識別（RFID）獲取氨氣信息并傳輸?shù)阶x取器。通過具有約63.07%收集效率的能量采集模塊，無源柔性氨氣傳感器在無電池的情況下收集射頻能量并為傳感器正常工作提供電力。中國農(nóng)業(yè)大學張小栓教授團隊將RFID和柔性傳感技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計并制作了一種用于水產(chǎn)品監(jiān)測的無源柔性氨氣傳感器。它可以最大限度地減少正常操作的功耗，同時減少傳感器尺寸和重量，從而在沒有電池的情況下實現(xiàn)自我能量采集。最終，通過RFID、柔性傳感和APA-ANN的集成實現(xiàn)了能量采集、包裝內(nèi)部環(huán)境改善及傳感器輸出校準優(yōu)化：提出了一種用于水產(chǎn)供應(yīng)鏈監(jiān)測的無源柔性氨氣傳感器;柔性傳感器可以避免包裝損壞，實現(xiàn)可持續(xù)利用；傳感器通過RFID實現(xiàn)無線傳輸和射頻能量采集，無需電池供電;4. APA-ANN可以提高傳感器輸出精度，實現(xiàn)減損控制。

★ 文章解析

圖1展示了柔性傳感器的結(jié)構(gòu)，主要包括柔性基板、電極層、傳感層和絕緣層。碳納米管（CNTs）具有高靈敏度、納米級電子傳輸、熱傳導和表面吸附材料的快速響應(yīng)特性，與不同的導電材料或聚合物相結(jié)合，形成了P-N半導體，有效地提高傳感性能。當碳納米管暴露于空氣中時，NH3分子被覆蓋在SWCNT膜的表面上用于電子轉(zhuǎn)移。此時，SWCNT顯示出P型半導體特性，而ITO顯示出N型半導體特性并且它們的界面形成P-N結(jié)。另外，傳感器的制備過程則包括電暈處理、殺菌消毒、均質(zhì)震蕩等預處理及轉(zhuǎn)換傳輸層打印、傳感層打印、固化燒結(jié)等噴墨打印過程。

圖1：氨氣傳感器的傳感機理及制作流程圖

圖2展示了無源柔性氨氣傳感器的結(jié)構(gòu)和工作流程。它由傳感模塊、控制和處理模塊、射頻通信模塊和能量采集模塊組成。RFID芯片通過設(shè)計的天線接收RFID讀取器發(fā)送的信號和射頻能量，并通過整流濾波電路將其轉(zhuǎn)換為直流電。然后通過升壓電路放大微弱的直流電壓，并將收集的能量存儲到超級電容器中。

圖 2：無源柔性氨氣傳感器的結(jié)構(gòu)和工作流程

圖3展示了噴墨打印后的柔性氨氣傳感器及其組件。設(shè)計了三個不同的電極來實現(xiàn)氨信號到電信號的傳輸，選擇具有較高敏感性，高穩(wěn)定性，低電阻，導電性更好的電極進行刮涂。圖3也展示了天線和多層可拉伸柔性電路的打印、點膠和焊接，最終，將上述組件集成在一起的多層可拉伸柔性氨氣傳感器包括敏感層、轉(zhuǎn)換傳輸層、多層可拉伸電路、絕緣層、電子元件和封裝層。

圖 3：無源柔性氨氣傳感器及其元件

圖4展示了天線在仿真過程中的優(yōu)化尺寸、回波損耗S11和阻抗匹配結(jié)果，圖5則展示了其在電磁場中的電磁性能，越靠近天線中心，增益越高，磁場和電場的最大值集中在中心天線附近。實際的天線性能顯示它在13.733 MHz的工作頻率下具有?25 dB的回波損耗S11和45.2Ω的阻抗匹配，滿足了能量采集和供電的需求。

圖 4：天線仿真和優(yōu)化

圖 5：天線性能仿真與實際測試

圖(6-7)分別為傳感器性能測試及在實際運輸過程中的校準實驗。傳感器的靜態(tài)特性、動態(tài)特性及其穩(wěn)定性表明柔性傳感模塊具有響應(yīng)快、靈敏度高的特點，并且更快的傳感響應(yīng)有效地降低了功率損耗并提高了能耗效率。

牡蠣和鮑魚的實際測試表明氨氣和硫化氫在首次被檢測到后都有相似的趨勢，呈指數(shù)變化，而二氧化碳則呈線性上升趨勢。所有溫度、濕度和氧氣指標在波動后逐漸達到并保持穩(wěn)定。然后，經(jīng)過相關(guān)性分析，排除了與氨氣相關(guān)性較低的參數(shù)。

圖 6：傳感器輸出校準

圖7：具有多重干擾的交叉靈敏度效應(yīng)的傳感器驗證

圖8展示了通過APA-ANN獲得的最終傳感器輸出校準優(yōu)化。在牡蠣和鮑魚的實際驗證過程中，氨氣傳感器受到多干擾交叉靈敏度影響的訓練集、測試集和驗證集的相關(guān)系數(shù)R均高于0.997，這表明APA-ANN可以克服原有氨氣傳感器的低穩(wěn)定性、精度差及其他缺陷。此外， APA-ANN的性能分析顯示其絕對誤差分別在區(qū)間[-0.4573,0.1779]和[-0.3786,0.4928]內(nèi)變化，指標的變化趨勢表明校準值估計具有很強的一致性。

圖8：基于APA-ANN的傳感器輸出校準優(yōu)化